DE102007048471A1 - Method for determining a position of a focused laser beam stepping through an opening of a nozzle body of a laser processing nozzle, relative to the opening, comprises moving the nozzle body and the laser beam relative to each other - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Lage eines durch eine Öffnung eines Düsenkörpers einer Laserbearbeitungsdüse hindurch tretenden, fokussierten Laserstrahls relativ zur Öffnung, eine Laserbearbeitungsdüse, sowie einen Laserbearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsmaschine mit einer solchen Laserbearbeitungsdüse.The The present invention relates to a method for determining the position one through an opening of a nozzle body a laser processing nozzle passing, focused Laser beam relative to the aperture, a laser processing nozzle, and a laser processing head of a laser processing machine with such a laser processing nozzle.
Für eine optimale Materialbearbeitung mittels einer Laserbearbeitungsmaschine ist es erforderlich, den Laserstrahl innerhalb der Laserbearbeitungsdüse des Laserbearbeitungskopfs möglichst genau, insbesondere zentrisch, anzuordnen. Hierzu ist es erforderlich, die zweidimensionale Lage des z. B. in Z-Richtung propagierenden Laserstrahls bezüglich der XY-Ebene der Öffnung der Laserbearbeitungsdüse zu bestimmen, was im Stand der Technik vor allem manuell durchgeführt wird. Hierzu wird auf den Düsenkörper ein Klebestreifen geklebt und mit geringer Laserleistung ein kleines Loch in diesen eingebrannt. Die Abweichung der Strahllage von der Düsenmitte wird mit bloßem Auge und einer Lupe bestimmt. Dieser Vorgang ist ungenau, zeitintensiv und aufgrund notwendiger manueller Eingriffe für einen automatisierten Ablauf ungeeignet. Außerdem lässt er sich nicht bei hoher Laserleistung durchführen. Da jedoch die optischen Komponenten in der Laserstrahlführung bei hoher Laserleistung aufgrund der Wärmeentwicklung in ihren Eigenschaften beeinflusst werden, ist es wünschenswert, die Strahllage in der Laserbearbeitungsdüse auch bei hoher Laserleistung überprüfen und ggf. korrigieren zu können.For optimal material processing by means of a laser processing machine It is necessary to use the laser beam inside the laser processing nozzle the laser processing head as accurately as possible, in particular centric, to arrange. For this it is necessary to use the two-dimensional Location of z. B. in the Z direction propagating laser beam with respect the XY plane of the opening of the laser processing nozzle to determine what is done manually in the prior art especially becomes. For this purpose, an adhesive strip on the nozzle body glued and with little laser power a small hole in these baked. The deviation of the beam position from the nozzle center is determined with the naked eye and a magnifying glass. This process is inaccurate, time-consuming and due to necessary manual intervention unsuitable for an automated procedure. Furthermore he can not perform at high laser power. However, since the optical components in the laser beam guide at high laser power due to heat generation in their properties are affected, it is desirable the beam position in the laser processing nozzle even at high Check laser power and correct if necessary to be able to.
Aus
der
Auch
die
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, eine Laserbearbeitungsdüse und einen Laserbearbeitungskopf der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die Bestimmung der Strahllage und deren Korrektur innerhalb der Laserbearbeitungsdüse auch bei hohen Strahlleistungen prozesssicher möglich ist.It is the object of the present invention, a method, a Laser processing nozzle and a laser processing head of to develop the aforementioned type such that the provision the beam position and its correction within the laser processing nozzle Process reliability is possible even at high beam powers.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Schritten: Bewegen des Düsenkörpers und des Laserstrahls relativ zueinander entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls, bis ein Teil der Laserstrahlung aus einem Randbereich des Laserstrahls an einer die Öffnung umgebenden, insbesondere radialsymmetrisch bezüglich der Düsenachse verlaufenden Streu- und/oder Spiegelfläche abgestreift wird, Detektieren der Intensität der von der Streu- und/oder Spiegelfläche reflektierten und/oder gestreuten Laserstrahlung an einer Mehrzahl von Messflächen, sowie Vergleichen der an der Mehrzahl von Messflächen detektierten Intensität zum Bestimmen der Lage des Laserstrahls relativ zur Öffnung.These The object is achieved by a method with the steps: moving the nozzle body and the laser beam relative to each other along the propagation direction of the laser beam until a portion of the laser radiation from an edge area the laser beam at a surrounding the opening, in particular radially symmetrical with respect to the nozzle axis extending Scattering and / or mirror surface is stripped, detecting the Intensity of the scattering and / or mirror surface reflected and / or scattered laser radiation at a plurality of measuring surfaces, as well as comparing the majority detected by measuring surfaces intensity for determining the position of the laser beam relative to the aperture.
Unter normalen Arbeitsbedingungen befindet sich der Fokuspunkt des Laserstrahls in der Arbeitsebene und der Strahl tritt berührungslos durch die Öffnung der Laserbearbeitungsdüse. Die Messsituation wird durch Aufweiten des Laserstrahls in der Ebene der Öffnung des Düsenkörpers herbeigeführt. Hierzu kann durch Bewegen der Fokussierlinse oder eines vorgeordneten adaptiven Spiegels der Fokuspunkt des Laserstrahls in Z-Richtung von dem Düsenkörper weg verschoben werden, bis ein Randbereich des Laserstrahls auf den Rand der Öffnung sowie auf die die Öffnung umgebende Streu- bzw. Spiegelfläche auftrifft. Nach der Detektion zumindest eines Teils der reflektierten bzw. gestreuten Strahlung wird anhand der Leistungs- bzw. Intensitätsverteilung auf den einzelnen Messflächen die Lage des Laserstrahls in der Ebene der Düsenöffnung bestimmt und gegebenenfalls auf eine gewünschte Position korrigiert, z. B. indem der Laserstrahl durch Verstellen einer Strahlführungsoptik in der Ebene der Düsenöffnung, d. h. rechtwinklig zur Düsenachse, verschoben wird. Diese Verschiebung kann mittels eines Regelkreises erfolgen, wobei die gewünschte Position erreicht ist, wenn die an den einzelnen Messflächen ermittelten Intensitäten in einem vorgegebenen Verhältnis zueinander stehen, wobei bei geeigneter (symmetrischer) Anordnung der Messflächen die gewünschte Position bei identischen Intensitäten erreicht wird.Under normal working conditions is the focal point of the laser beam in the working plane and the beam occurs contactlessly through the opening of the laser processing nozzle. The Measuring situation is by expanding the laser beam in the plane the opening of the nozzle body brought about. For this can be done by moving the focus lens or an upstream adaptive Mirror the focal point of the laser beam in the Z direction of the nozzle body be moved away until an edge region of the laser beam on the edge of the opening as well as the opening surrounding stray or mirror surface impinges. After Detection of at least a part of the reflected or scattered Radiation is based on the power or intensity distribution the individual measuring surfaces the position of the laser beam in determines the plane of the nozzle opening and optionally corrected to a desired position, z. B. by the Laser beam by adjusting a beam guiding optics in the plane of the nozzle opening, d. H. square to the nozzle axis, is moved. This shift can take place by means of a control loop, wherein the desired position is reached when the determined at the individual measuring surfaces Intensities in a given ratio to each other, with a suitable (symmetrical) arrangement the measuring surfaces the desired position with identical Intensities is achieved.
Es versteht sich, dass beim Auftreffen von Laserstrahlung auf eine intransparente optische Oberfläche stets ein erster Teil der Strahlung reflektiert, ein zweiter Teil (diffus) gestreut und ein dritter Teil absorbiert wird. Im Sinne dieser Anmeldung wird unter einer Spiegelfläche eine optische Oberfläche verstanden, an der ca. 70% oder mehr der einfallenden Strahlung gerichtet (spekular) reflektiert wird, unter einer Streufläche eine Fläche, bei der ein Anteil von 70% oder mehr der einfallenden Strahlung gestreut wird. In beiden Fällen liegt der Anteil an Strahlung, welcher absorbiert wird, bei weniger als 10%, idealer Weise bei 0%. Eine kombinierte Streu-/Spiegelfläche absorbiert ebenfalls einen Anteil der auftreffenden Laserstrahlung von 10% oder weniger; die übrigen 90% der Strahlung werden entweder gestreut oder reflektiert, wobei der gestreute bzw. reflektierte Anteil durch geeignete Oberflächen- bzw. Materialwahl eingestellt werden kann.It is understood that when hitting laser radiation on a non-transparent optical surface always a first part the radiation reflects, a second part (diffused) and scattered a third part is absorbed. For the purposes of this application is under a mirror surface understood an optical surface, directed to the approximately 70% or more of the incident radiation (specular) is reflected, under a scattered surface an area, at a rate of 70% or more of the incident radiation is scattered. In both cases, the proportion of radiation, which is absorbed in less than 10%, ideally at 0%. A combined scattering / mirror surface also absorbs a proportion of the incident laser radiation of 10% or less; the remaining 90% of the radiation is either scattered or reflected, wherein the scattered or reflected portion by suitable surface or material selection can be set can.
Bei einer vorteilhaften Variante wird der abgestreifte Teil der Laserstrahlung an der in radialer Richtung eine Krümmung aufweisenden Spiegelfläche zusätzlich zur konusförmigen Strahlaufweitung aufgeweitet oder fokussiert. Hierzu weist die typischerweise rotationssymmetrisch zur Düsenachse verlaufende Spiegelfläche eine geeignete Krümmung in radialer Richtung auf, d. h. sie kann in radialer Richtung beispielsweise konkav oder konvex gekrümmt sein, die Oberfläche wird in diesem Fall somit durch einen Torus anstelle eines Konus gebildet. Hierdurch wird erreicht, dass die reflektierte Strahlung auch in einem radialen Schnitt betrachtet direkt divergent oder zunächst konvergent und nach einem Zwischenfokus divergent verläuft, so dass die Strahlleistung pro Flächeneinheit mit zunehmender Entfernung von der Spiegelfläche besonders stark abnimmt, was sich beim Detektieren der Intensität der abgestreiften Laserstrahlung günstig auswirken kann, da hierdurch die zur Messung verwendeten Messflächen vor Beschädigungen durch zu intensive Laserstrahlung geschützt werden können.at an advantageous variant of the stripped portion of the laser radiation at the in the radial direction having a curvature Mirror surface in addition to the cone-shaped Beam expansion widened or focused. This typically has rotationally symmetrical to the nozzle axis extending mirror surface a suitable curvature in the radial direction, d. H. it can be concave or convex in the radial direction, for example be curved, the surface will be in this case thus formed by a torus instead of a cone. hereby It is achieved that the reflected radiation is also in a radial Section considered directly divergent or initially convergent and after an intermediate focus runs divergently, so that the beam power per unit area with increasing distance from the mirror surface decreases very much, which is upon detecting the intensity of the stripped laser radiation favorable effect, since thereby the measuring surfaces used for the measurement Protected against damage caused by excessive laser radiation can be.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante ist mindestens eine der Messflächen im divergenten Strahlengang der reflektierten Laserstrahlung angeordnet. In diesem Fall wird die Strecke, welche die Laserstrahlung von der Spiegelfläche bis zur Messfläche zurücklegt, zumindest teilweise dafür genutzt, die Laserstrahlung aufzuweiten. Hierdurch wird, wie oben dargestellt, die auf die Messfläche(n) auftreffende Strahlungsleistung pro Flächeneinheit verringert, sodass diese vor zu intensiver Laserstrahlung geschützt werden können. Insbesondere kann durch die Strahlaufweitung die Messfläche näher am Düsenkörper positioniert werden als für den Fall, dass der Laserstrahl an der Spiegelfläche lediglich umgelenkt wird, so dass ein kompakter Messaufbau realisiert werden kann.at A particularly advantageous variant is at least one of the measuring surfaces arranged in the divergent beam path of the reflected laser radiation. In this case, the distance which the laser radiation from the Mirror surface travels to the measuring surface, at least partially used to expand the laser radiation. As a result, as shown above, the area on the measuring surface (s) reduces incident radiation power per unit area, so that these are protected from intense laser radiation can. In particular, by the beam widening the Measuring surface closer to the nozzle body be positioned as in the event that the laser beam is merely deflected on the mirror surface, so that a compact measurement setup can be realized.
Bei einer weiteren vorteilhaften Variante sind die Messflächen durch Sektoren eines Quadrantendetektors oder an einer Mehrzahl von bevorzugt bezüglich der Düsenachse axial symmetrisch angeordneten Sensoren gebildet. Anhand der Verteilung der Laserleistung auf die einzelnen Messflächen lässt sich die Strahllage in der Ebene der Düsenöffnung bestimmen und gegebenenfalls auf eine gewünschte Position korrigieren, insbesondere lässt sich der Laserstrahl in der Düsenmitte zentrieren. Der Laserstrahl geht genau dann durch die Mitte der Düsenöffnung (d. h. Laserstrahlachse und Düsenachse stimmen überein), wenn alle Sektoren des Quadrantendetektors bzw. alle axial symmetrisch angeordneten Sensoren die gleiche Strahlleistung bzw. Strahlintensität detektieren.at In another advantageous variant, the measuring surfaces are by sectors of a quadrant detector or at a plurality of preferably axially symmetrical with respect to the nozzle axis arranged sensors formed. Based on the distribution of the laser power on the individual measuring surfaces, the beam position can be determine in the plane of the nozzle opening and optionally Correct to a desired position, in particular the laser beam can be centered in the middle of the nozzle. The laser beam passes through the center of the nozzle opening just then (i.e., laser beam axis and nozzle axis are the same), if all sectors of the quadrant detector or all axially symmetric arranged sensors the same beam power or beam intensity detect.
Be einer weiteren vorteilhaften Variante werden der Düsenkörper und der Laserstrahl relativ zueinander bewegt, bis der abgestreifte Teil der Laserstrahlung mehr als 3% bevorzugt mehr als 10%, besonders bevorzugt mehr als 20% der Gesamtleistung des Laserstrahls beträgt. Hierdurch wird erreicht, dass nicht nur das Randfeld des Laserstrahls abgestreift wird, welches ca. 1% bis 2% der gesamten Laserleistung ausmacht, da dieses nicht unbedingt perfekt rotationssymmetrisch ist, weshalb die Lage des Laserstrahls bezüglich der Öffnung anhand des Randfeldes gegebenenfalls nur ungenau bestimmt werden kann. Für die Messung wird daher ein nicht unerheblicher Anteil der Laserleistung abgestreift, welcher auch einem weiter innen liegenden, rotationssymmetrischen Bereich des Laserstrahls umfasst.Be A further advantageous variant of the nozzle body and the laser beam moves relative to each other until the stripped one Part of the laser radiation more than 3%, preferably more than 10%, especially preferably more than 20% of the total power of the laser beam. This ensures that not only the edge field of the laser beam which is about 1% to 2% of the total laser power As this is not necessarily perfectly rotationally symmetric is why the position of the laser beam with respect to the opening may be determined inaccurately on the basis of the fringe field can. For the measurement is therefore a not inconsiderable Stripped portion of the laser power, which also one further inside, rotationally symmetric region of the laser beam includes.
Bei einer weiteren vorteilhaften Variante wird nach dem Bestimmen der Lage des Laserstrahls der Laserstrahl in der Öffnung zentriert. Durch die Zentrierung kann typischer Weise die Materialbearbeitung mit Hilfe des Laserstrahls optimiert werden.at a further advantageous variant is after determining the Location of the laser beam the laser beam is centered in the opening. By centering can typically be the material processing be optimized with the help of the laser beam.
Bei einer besonders bevorzugten Variante wird der Laserstrahl mit einer Strahlleistung von mehr als 1 kW, bevorzugt von mehr als 2 kW betrieben. Da die optischen Komponenten in der Laserstrahlführung bei hoher Laserleistung aufgrund der Wärmeentwicklung ihre optischen Eigenschaften verändern, ist es günstig, die Lage des Laserstrahls in der Öffnung der Laserbearbeitungsdüse bei Nennleistung, d. h. bei der oben angegebenen Laserleistung zu überprüfen und ggf. zu korrigieren.at a particularly preferred variant, the laser beam with a Beam power of more than 1 kW, preferably operated by more than 2 kW. As the optical components in the laser beam guide at high laser power due to the heat their change optical properties, it is convenient the position of the laser beam in the opening of the laser processing nozzle at rated power, d. H. at the above indicated laser power and correct if necessary.
Die Erfindung ist auch realisiert in einer Laserbearbeitungsdüse, umfassend: einen Düsenkörper mit einer an dem Düsenkörper gebildeten Öffnung zum Durchtritt eines fokussierten Laserstrahls, sowie eine die Öffnung umgebende, an dem Düsenkörper gebildete, insbesondere radialsymmetrisch zur Düsenachse verlaufende Streu- und/oder Spiegelfläche zum Abstreifen eines Teils der Laserstrahlung aus einem Randbereich des Laserstrahls.The invention is also realized in a laser processing nozzle, comprising: a nozzle body with an opening formed on the nozzle body for the passage of a focused laser beam, as well as a scattering and / or mirror surface surrounding the opening, formed on the nozzle body, in particular radially symmetrical to the nozzle axis for stripping a part of the laser beam from an edge region of the laser beam.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Streu- und/oder Spiegelfläche in radialer Richtung eine Krümmung auf, d. h. im Falle einer radialsymmetrischen Oberfläche wird diese durch einen Torus anstelle eines Konus beschrieben. Durch das Vorsehen einer gewölbten bzw. gekrümmten Oberfläche kann die abgestreifte Laserstrahlung in radialer Richtung zusätzlich zur konusförmigen Strahlaufweitung in einem radialen Schnitt betrachtet aufgeweitet werden, sodass in einer vorgegebenen Entfernung, an der eine Messfläche angeordnet werden soll, die Strahlungsintensität pro Flächeneinheit besonders stark reduziert werden kann. Es versteht sich, dass alternativ auch eine in radialer Richtung plan verlaufende Streu- und/oder Spiegelfläche verwendet werden kann.at an advantageous embodiment, the scattering and / or Mirror surface in the radial direction a curvature on, d. H. in the case of a radially symmetric surface this is described by a torus instead of a cone. By the Providing a curved or curved surface can the stripped laser radiation in the radial direction in addition for conical beam expansion in a radial section be widened so that at a given distance, on which a measuring surface is to be arranged, the radiation intensity per unit area can be greatly reduced. It is understood that alternatively also a plan in the radial direction extending scattering and / or mirror surface can be used can.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die Streu- und/oder Spiegelfläche konvex oder konkav gekrümmt, sodass die reflektierte Strahlung in einem radialen Schnitt betrachtet aufgeweitet bzw. fokussiert werden kann. Die Fokussierung kann hierbei auf einen Zwischenfokus in geringem Abstand zum Düsenkörper erfolgen, hinter dem die Laserstrahlung dann divergent verläuft. Die Aufweitung ermöglicht es, Messflächen auch in geringem radialem Abstand vom Düsenkörper anzuordnen, ohne dass diese durch die detektierte Laserstrahlung beschädigt werden.at A preferred development is the scattering and / or mirror surface curved convexly or concavely so that the reflected radiation expanded or focused viewed in a radial section can be. The focus here can be on an intermediate focus at a small distance to the nozzle body, behind which the laser radiation then runs divergently. The widening allows measuring surfaces too to be arranged at a small radial distance from the nozzle body, without being damaged by the detected laser radiation become.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Streu- und/oder Spiegelfläche an einem in den Düsenkörper angebrachten Lochspiegel gebildet, durch den die Laserstrahlung im Bearbeitungsbetrieb berührungslos hindurch tritt. Der Lochspiegel kann hierbei eine radialsymmetrische, konische oder auch gewölbte, torische Spiegelfläche aufweisen, welche einen Teil der Laserstrahlung aus dem Randbereich des Laserstrahls abstreift. Der Lochspiegel kann als integraler Teil des Düsenkörpers gefertigt oder in diesen integrierbar, d. h. als separater Ring mit Streu- und/oder Spiegelfläche in den Düsenkörper einsetzbar sein. In letzterem Fall kann ein solcher Ring auch entnehmbar und für verschiedene Düsen verwendbar sein, wobei über eine Passung die Zentrierung zu den jeweiligen Düsen erfolgen muss.at In another preferred embodiment, the scattering and / or mirror surface at one in the nozzle body attached hole mirror formed by the laser radiation in the machining operation passes without contact. Of the Lochspiegel here can be a radially symmetric, conical or also have a curved, toric mirror surface, which a part of the laser radiation from the edge region of the laser beam scrapes. The hole mirror can be an integral part of the nozzle body manufactured or integrated into this, d. H. as a separate ring with scattering and / or mirror surface in the nozzle body be usable. In the latter case, such a ring can also be removed and be usable for various nozzles, wherein about a fit centering to the respective nozzles done got to.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Streu- und/oder Spiegelfläche unmittelbar auf dem Düsenkörper gebildet. Dies ist vorteilhaft, um die Kontur der Spiegelfläche in der Bearbeitungsdüse, die sich störend auf die Gasströmung eines Arbeits- oder Schutzgases durch die Öffnung im Düsenkörper auswirken kann, möglichst gering zu halten. Zur Ausbildung der Streu- und/oder Spiegelkontur kann der Düsenkörper poliert, mattiert und/oder mit einer oder mehreren eingebrachten Rillen versehen werden. Die Rillen können hierbei in radialer Richtung eine Ausdehnung aufweisen, die beispielsweise bei weniger als 1 mm liegt. Es versteht sich, dass die Spiegelkontur bzw. die Rillen) gewölbt ausgeführt sein können, um einen in einem radialen Schnitt betrachtet divergenten oder auf einen Zwischenfokus konvergierenden reflektierten Strahl zu erzeugen.at an alternative embodiment is the scatter and / or Mirror surface directly on the nozzle body educated. This is beneficial to the contour of the mirror surface in the processing nozzle, which interferes the gas flow of a working or inert gas through the opening In the nozzle body can affect, if possible to keep low. For the formation of the scatter and / or mirror contour the nozzle body can be polished, frosted and / or be provided with one or more grooves introduced. The Grooves can in this case an expansion in the radial direction have, for example, less than 1 mm. It understands itself that the mirror contour or the grooves) arched executed can be considered one in a radial section divergent or convergent to an intermediate focus To create a beam.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Spiegelfläche in Ausbreitungsrichtung des fokussierten Laserstrahls zulaufend ausgebildet. Bei einer solchen Spiegelkontur kann die Reflexion "überkreuzt" erfolgen, d. h. die abgestreifte Laserstrahlung tritt durch den fokussierten Laserstrahl hindurch und wird z. B. auf der der Spiegelkontur gegenüberliegenden Seite der Öffnung detektiert, was bei der Auswertung der Detektorsignale berücksichtigt werden muss.at A further advantageous embodiment is the mirror surface tapering in the propagation direction of the focused laser beam educated. In such a mirror contour, the reflection "crossed", d. H. the stripped laser radiation passes through the focused laser beam and is z. B. on the opposite side of the mirror contour of the opening detected, which takes into account in the evaluation of the detector signals must become.
Die Erfindung ist auch realisiert in einem Laserbearbeitungskopf für eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer Laserbearbeitungsdüse wie oben beschrieben. Neben der Laserbearbeitungsdüse umfasst der Laserbearbeitungskopf eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls und in der Regel Umlenkspiegel zur Strahlführung.The Invention is also realized in a laser processing head for a laser processing machine with a laser processing nozzle as described above. In addition to the laser processing nozzle includes the laser processing head has a focusing optics for focusing the Laser beam and usually deflecting mirror for beam guidance.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Laserbearbeitungskopf eine Mehrzahl von Messflächen zur Detektion der Intensität der von der Streu- und/oder Spiegelfläche gestreuten und/oder reflektierten Laserstrahlung. Die von den Messflächen aufgezeichnete Intensität kann in einer hierfür vorgesehenen Kontrolleinrichtung verglichen und dadurch auf die Lage des Laserstrahls bezüglich der Öffnung geschlossen werden. Zwei Messflächen genügen, um den Laserstrahl in einer Richtung in der Öffnung zu zentrieren. Bevorzugt werden vier oder mehr Messflächen verwendet, um die Position des Laserstrahls in der Öffnung möglichst genau zu bestimmen.at In an advantageous embodiment, the laser processing head comprises a plurality of measuring surfaces for detecting the intensity that scattered and / or reflected from the scattering and / or mirror surface Laser radiation. The recorded from the measuring surfaces Intensity can be in a designated Control device compared and thereby to the position of the laser beam be closed with respect to the opening. Two Measuring surfaces are sufficient to the laser beam in one To center direction in the opening. To be favoured Four or more measuring surfaces used to determine the position of the laser beam in the opening to determine as accurately as possible.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Messflächen im divergenten Strahlengang der reflektierten Laserstrahlung angeordnet, wodurch sich in der Regel die Strahlungsleistung pro Flächeneinheit auf den Messflächen verringert, sodass diese besser vor Beschädigungen durch die Laserstrahlung geschützt sind.at In another advantageous embodiment, the measuring surfaces are arranged in the divergent beam path of the reflected laser radiation, which usually results in the radiation power per unit area reduced on the measuring surfaces, so this better Damage protected by the laser radiation are.
Durch Integration der Messflächen in den Bearbeitungskopf ist die gesamte Messeinrichtung im Laserbearbeitungskopf untergebracht und somit besonders kompakt aufgebaut. In diesem Fall kann die Vermessung unabhängig von der Position des Laserbearbeitungskopfs in der Bearbeitungsmaschine erfolgen. Werden die Messflächen hingegen außerhalb des Laserbearbeitungskopfes positioniert, ist es in der Regel erforderlich, dass der Laserbearbeitungskopf für die Messung bzw. Zentrierung eine fest vorgegebene Messposition, welche sich in der Regel am Rand der Bearbeitungsebene befindet, anfährt, wodurch sich die für die Messung benötigte Zeit erhöht.By integrating the measuring surfaces in the machining head, the entire measuring device is housed in the laser processing head and thus constructed very compact. In this case, the measurement can be made independently of the position of the laser processing head in the processing machine. On the other hand, if the measuring surfaces are positioned outside the laser processing head, it is usually necessary for the laser processing head to be fixed for the measurement or centering predetermined measuring position, which is usually located at the edge of the working plane, anfährt, which increases the time required for the measurement.
In der Laserbearbeitungsmaschine oder dem Bearbeitungskopf können Bewegungseinrichtungen angeordnet sein, welche es erlauben, den Laserstrahl in einer Ebene senkrecht zur Düsenachse zu verschieben. Hierzu können einerseits Schrittmotoren vorgesehen sein, welche an einer vor dem Düsenkörper im Laserbearbeitungskopf angeordneten Fokussierlinse angreifen, um diese quer zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls zu verschieben. Andererseits kann auch eine Winkelverstelleinrichtung vorgesehen sein, die mindestens einen Umlenkspiegel vor der Fokussierlinse verkippt, um den Fokuspunkt zu verschieben.In the laser processing machine or the machining head Movement devices may be arranged, which allow the Move laser beam in a plane perpendicular to the nozzle axis. For this purpose, on the one hand stepper motors can be provided, which at a front of the nozzle body in the laser processing head arranged focusing lens attack to this transversely to the propagation direction of the laser beam. On the other hand, an angle adjustment provided be, the at least one deflecting mirror in front of the focusing lens tilted to move the focus point.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der Laserbearbeitungsdüse und den Messflächen mindestens ein Umlenkspiegel, bevorzugt ein Lochspiegel, zur Umlenkung zumindest eines Teils der von der Streu- und/oder Spiegelfläche reflektierten und/oder gestreuten Laserstrahlung angeordnet. Der bzw. die Umlenkspiegel sind hierbei in ihrer räumlichen Anordnung und Ausdehnung vorzugsweise so gestaltet, dass sie nur einen Teil der abgestreiften Strahlung auf die Messflächen umlenken. Die Umlenkspiegel können hierbei plan ausgeführt sein und die Laserstrahlung lediglich umlenken, oder eine Krümmung aufweisen, um die Laserstrahlung zusätzlich zu fokussieren oder aufzuweiten. Es versteht sich, dass die Umlenkspiegel auch mit einer diffus streuenden Oberfläche versehen werden können, um die von dem Düsenkörper gerichtet reflektierte Laserstrahlung zu streuen und damit weiter abzuschwächen, bevor diese auf die Messflächen trifft.at a further advantageous embodiment is between the laser processing nozzle and the measuring surfaces at least one deflecting mirror, preferably a perforated mirror, for deflecting at least part of the scattering and / or mirror surface arranged and / or scattered laser radiation. Of the or the deflection mirrors are in their spatial Arrangement and extent preferably designed so that they only a portion of the stripped radiation on the measuring surfaces redirect. The deflection mirrors can be executed plan be and deflect the laser radiation only, or a curvature have in addition to focus the laser radiation or expand. It is understood that the deflection mirrors too be provided with a diffusely scattering surface can be directed to the of the nozzle body to scatter reflected laser radiation and thus further attenuate it, before it hits the measuring surfaces.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der Laserbearbeitungsdüse und mindestens einer Messfläche eine Abbildungsoptik zur Abbildung zumindest eines Teils der gestreuten und/oder reflektierten Laserstrahlung auf die Messflächen angeordnet. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Sektoren eines Quadrantendetektors als Messflächen eingesetzt werden. Die Abbildungsoptik kann daneben auch zur Umlenkung der Laserstrahlung dienen, z. B. wenn ein gekrümmter Umlenkspiegel zur Abbildung verwendet wird.at a further advantageous embodiment is between the laser processing nozzle and at least one measuring surface an imaging optics for imaging at least part of the scattered and / or reflected laser radiation on the measuring surfaces arranged. This is particularly advantageous when the sectors a quadrant detector can be used as measuring surfaces. The imaging optics can also be used to deflect the laser radiation serve, for. B. if a curved deflecting mirror for imaging is used.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Messflächen durch Sektoren eines Quadrantendetektors oder eine Mehrzahl von bevorzugt bezüglich der Düsenachse axial symmetrisch angeordneten Sensoren gebildet. Bei axialsymmetrisch angeordneten Sensoren (in der Regel mindestens vier) findet die Symmetriebewertung durch paarweises Vergleichen gegenüberliegender Sensoren statt. Auf einem Quadrantendetektor wird die reflektierte/gestreute Strahlung vorzugsweise kreisförmig oder ellipsenförmig abgebildet. Der Quadrantendetektor befindet sich dabei nicht im Fokuspunkt, sondern zumindest nahe an der oder in der Abbildungsebene.at In another advantageous embodiment, the measuring surfaces are by sectors of a quadrant detector or a plurality of preferred arranged axially symmetrically with respect to the nozzle axis Sensors formed. In axially symmetric arranged sensors (in usually at least four) finds the symmetry rating by pairwise Compare opposing sensors instead. On one Quadrant detector will preferably reflect the reflected / scattered radiation shown in a circular or elliptical shape. Of the Quadrant detector is not in the focus point, but at least close to or in the image plane.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens eine Messfläche mit einer die Laserstrahlung teilweise reflektierenden und/oder absorbierenden Beschichtung versehen. Die kommerziell üblicherweise erhältlichen Detektoren sind mit Messflächen nur für die Messung geringer Laserleistungen im mW-Bereich ausgelegt, so dass sie vor zu intensiver Laserstrahlung geschützt werden müssen, was auf die oben beschriebene Weise, d. h. durch Vorsehen einer geeigneten Schutzschicht, erfolgen kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein speziell beschichtetes Fenster oder eine Blende vor den Messflächen positioniert werden. Außerdem ist es vorteilhaft, im Bearbeitungsbetrieb der Laserbearbeitungsmaschine die Messflächen durch einen Shutter und/oder eine Blende vor der Laserstrahlung zu schützen.at a further advantageous embodiment is at least a measuring surface with a partial laser radiation provided reflective and / or absorbent coating. The commercially available detectors are smaller with measuring surfaces only for the measurement Laser powers in the mW range designed so that they are too intense Laser radiation must be protected, something on the manner described above, d. H. by providing a suitable Protective layer, can be done. Alternatively or in addition can also have a specially coated window or aperture in front of the Measuring surfaces are positioned. Besides, it is advantageous in the machining operation of the laser processing machine the measuring surfaces by a shutter and / or a shutter to protect against laser radiation.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further Advantages of the invention will become apparent from the description and the Drawing. Likewise, the above and the even more features listed in each case or to several in any combination use. The shown and described embodiments are not to understand as a final list, but rather have exemplary character for the description the invention.
Es zeigen:It demonstrate:
Bei
der Bearbeitung des Werkstücks
Der
Düsenkörper
Für
eine optimale Bearbeitung des Werkstücks
Die
an der Spiegelfläche
An
Stelle der in
Der
Einfluss der Spiegelkontur auf die Gasströmung eines (nicht
gezeigten) Arbeits- oder Schutzgases durch die Laserbearbeitungsdüse
Bei
der Verwendung von vier oder mehr Messflächen
Im
Folgenden wird anhand der
Es
versteht sich, dass bei den in
Bei
den in
Alternativ
zur in
Die
in
Die
Auswertung der Messsignale kann für alle oben beschriebenen
Fälle in einer in
Alternativ
zu den gezeigten Typen von Sensoren können selbstverständlich
auch andere Detektoren, z. B. Flächendetektoren (CCD-Kameras,
Diodenarrays, etc.) verwendet werden, bei denen jede Messfläche
durch einen einzelnen Pixel oder eine Gruppe von Pixeln gebildet
ist. Für die vorliegende Anwendung, den Laserstahl
Mit den oben beschriebenen Anordnungen lässt sich die Lage des Laserstrahls relativ zu einer Öffnung einer Laserbearbeitungsdüse auch bei hohen Laserleistungen (typischerweise bei 1–2 kW oder mehr) prozesssicher ermitteln, da durch das Vorsehen einer Streu- und/oder Spiegelfläche am Düsenkörper der Laserbearbeitungsdüse verhindert wird, dass der Düsenkörper beim Abstreifen der Laserstrahlung beschädigt wird. Eine Bestimmung der Lage des Laserstrahls relativ zur Öffnung bei hoher Laserleistung ist immer dann angezeigt, wenn sich die Strahllage in Abhängigkeit von der Laserleistung aufgrund der Erwärmung von optischen Komponenten im Strahlführungssystem des Laserstrahls verändert.With the arrangement described above can be the location the laser beam relative to an opening of a laser processing nozzle even at high laser powers (typically 1-2 kW or more) reliable, since by the provision of a Scatter and / or mirror surface on the nozzle body The laser processing nozzle prevents the nozzle body is damaged during stripping of the laser radiation. A Determining the position of the laser beam relative to the aperture at high laser power is always displayed when the Beam position as a function of the laser power due the heating of optical components in the beam guidance system changed the laser beam.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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